砂卵石地層微型土壓平衡盾構機刀盤刀具布置方法研究

聶 瑞，趙海峰，王學科，王世杰

（1.沈陽工業大學 機械工程學院，沈陽 110870；2.北方重工集團全斷面掘進機國家重點實驗室，沈陽 110141）

0 引言

當今城市地鐵發達，地下管線密集，對地下管道的挖掘施工要求很高，促使著盾構設備朝著微型化的方向發展。行業內通常把直徑小于3m的盾構機稱為微型盾構機，其施工基地緊湊，開挖直徑小，可滿足長距離、任意半徑施工要求。同時還能平衡地下水、土壓力，控制地表隆起和沉降，并可以實現曲線半徑為10m的銳曲線施工[1]，能夠有效地利用城市狹窄的空間。

盾構機的選型取決于地質條件，土壓平衡盾構機能滿足砂卵石地層隧道施工的需要[2]。刀盤是土壓平衡盾構機的關鍵部件，刀盤的開口率影響出土率和刀盤前后的壓差，合適的刀盤開口率有助于保持掘進工作面的穩定性[3～5]；刀盤刀具類型、數量及合理布置決定著盾構設備的破巖能力，直接影響刀具使用壽命、盾構設備的掘進速度和掘進距離[6～8]。

目前國內很多學者對盾構機刀盤的設計進行了大量的研究，但是對微型盾構機刀盤的研究甚少。國內廠家生產的微型刀盤一般會將大中型刀盤等比例縮小，這樣設計出的刀盤其選擇的刀具類型、數量及布置方法并不合理，而且缺乏對地質狀況的分析，不利于整個盾構工程的安全性、經濟性和工作效率，因此，對微型土壓平衡盾構機刀具選擇與布置的研究具有十分重要的理論和實踐意義。本文結合北京某地段的地貌特征，重點在刀具的選擇、布置等方面進行了系統的研究，以得到一些對微型土壓平衡盾構機刀盤設計有意義的理論方法，為微型刀盤設計提供可靠的理論依據。

1 刀具的選擇

1.1 地質條件

本文以北京某地段地質條件為例，進行微型土壓平衡盾構機刀盤的布置。該地段地層主要由無水砂卵石和有水砂卵石地層組成，一般粒徑為20mm～120mm，卵石含量為50%～95%，大于200mm的漂石含量為15%～45%，充填物為粗砂和中砂，含沙量約為40%，土體流塑性差、滲透系數大、內摩擦角較大[9,10]。如圖1所示。

圖1 北京砂卵石地層

1.2 刀具的選型與選材

刀具的選型要求滿足砂卵石地層的基本特點。目前，按照切削原理可將盾構刀具分為滾刀和切削刀兩種類型。就砂卵石地層而言，因其土體松散，若采用滾刀在其掘進擠壓下會產生較大變形，降低了滾刀的切削效果，嚴重時甚至會使滾刀喪失切削破碎的能力。而切削刀適用于軟土地層，對稱布置在輻條兩側，可以很容易的切削、剝離土體，其切削原理是在刀盤轉動下，切削刀隨刀盤旋轉對開挖土體產生軸向剪切力和徑向切削力，通過刀刃和刀頭部分插入到地層內部，像犁子犁地一樣切削地層。

由于微型土壓平衡盾構機尺寸較小，因此考慮不采用中心魚尾刀，為改善中心部位的切削和攪拌效果，在中心位置布置若干把切削刀以達到切削中心部分土體和改善中心土體流動性的目的。

超前刀，也稱先行刀，與主切削刀組合協同工作，可在主切削刀切削土體之前先行切削土體，可顯著增加切削土體的流動性，降低切削扭矩，提高刀具的切削效率。其超前于切刀的布置，還可以避免切刀先切削到礫石，起到保護切刀的作用。在松散體地層，尤其是砂卵石地層和鈣質結核地層，先行刀的使用效果十分明顯。圖2為主切削刀與先行刀協同切削土體示意圖。

圖2 主切削刀與超前刀協同切削土體

盤圈貝形刀，布置在刀盤盤圈前端面，在盾構機掘進時插入地層，專用于切削砂卵石。實際上盤圈貝形刀屬于一種超前刀，可較好的解決盾構機切削砂卵石的難題[11]。

周邊刮刀，安裝在盾構機刀盤的最外圈，主要用于清除邊緣的開挖土渣，能夠有效防治渣土的沉積，確保開挖直徑，防止刀盤外緣的間接磨損。如圖3所示。

圖3 周邊刮刀

在北京砂卵石地層中，微型土壓平衡盾構機刀盤刀具選用切削刀、先行刀、盤圈貝形刀與周邊刮刀的組合。

根據地質特點，對刀具進行選材，刀頭材質采用真空燒制的E-3類鋼材，采用超硬重型刀，刀具背面實施硬化堆焊耐磨材料，可采用碳化鎢或高鉻堆焊焊條，堆焊層硬度宜高于HRC60。

2 刀具布置原理

從幾何學角度出發，盾構機刀盤刀具的布置主要有兩種方法，即同心圓布置法和阿基米德螺旋線布置法[12]，后者能保證盾構機的全斷面開挖，刀具對稱地分散布置在與阿基米德螺旋線相交的條幅兩側，以滿足盾構機正、反兩個方向回轉的要求，從而達到布局、結構和負載的最優設計。微型土壓平衡盾構機刀盤刀具的布置同樣采用阿基米德螺旋線布置法。

微型土壓平衡盾構機受尺寸所限機艙內空間較小，不利于刀具的更換，因此就要求刀具盡可能同時報廢，避免中途換刀，即滿足刀具磨損等壽命原則。為使整個刀盤上的刀具磨損量趨于一致，可通過調整不同半徑上的磨耗系數，從而達到刀具壽命相等的目的[13]。

經過大量工程實踐驗證，通常盾構機刀盤外圈刀具的磨損量計算公式為：

式中：δ為磨損量，mm；

k為磨耗系數，mm/km；

R為盾構刀盤半徑，m；

L為掘進距離，m；

N為刀盤轉動速度，r/min；

v為掘進速度，cm/min。

式(1)只能計算單把刀具的磨損量，當刀具數量發生改變時，磨耗系數也隨之變化，引入實際磨耗系數Kn參考日本某公司施工實際推算[14]有：

式中：n為1條軌跡配置刀具數量；

Kn為1條軌跡配置n把刀具的磨耗系數；

K為1條軌跡配置1把刀具的磨耗系數。

為了確定刀具安裝半徑，將盾構刀盤外圈半徑轉化為刀具安裝半徑：

根據刀具的等壽命原則，刀具的安裝半徑應滿足以下關系：

其中R1為采用單螺旋線布置時刀具安裝半徑，即一條軌跡布置一把刀具；R2采用雙螺旋線布置時刀具安裝半徑，即一條軌跡布置兩把刀具；以此類推。

從土壓平衡盾構機磨耗系數表（如表1所示），可知E-3類剛才在沙礫地層中掘進磨耗系數為12.5×103～22.5×103mm/km，取磨耗系數為：15×103mm/km，將其與最大磨損量[]δ、掘進參數同時帶入式(6)中，得到臨界磨損系數[e]=2.13。

表1 土壓平衡盾構機磨損系數表

以臨界磨損系數[e]為縱坐標，刀具安裝半徑R為橫坐標，刀具數目n為變量，可以得到磨損系數圖，如圖4所示。

圖4 刀具磨損系數圖

根據等壽命原則，通過圖4可得到不同切削半徑所需的最少螺旋線數目，如表2所示，進而計算出所需的最少刀具數量。

表2 不同切削半徑所需螺旋線數

可以看出隨著切削半徑的增大所需的螺旋線數目不斷增多，即布置刀具的數量不斷增大，這是由于雖然刀盤旋轉時刀具的角速度相同，但刀具的線速度不同，并且刀具的線速度隨著切削半徑的增大逐漸增大，刀具磨損量增加，此時需要配置更多的刀具以滿足等壽命原則。由于微型土壓平衡盾構機直徑小于3m，即刀具的切削半徑小于1.5m，所以其刀具采用阿基米德單螺旋線布置。

3 刀具的布置

3.1 切削刀的布置

由于該微型土壓平衡盾構機在中心位置使用切削刀，取中心切削刀作用范圍的直徑為l=980mm，帶入其他施工參數，得出微型土壓平衡盾構機參數表：

表3 微型土壓平衡盾構機參數表

根據式(7)可算出盾構機單方向回轉所需的最少主切削刀數量：

經計算得N=15.1取N0=16，由于盾構機在掘進過程中刀盤左右旋轉，切削刀對稱布置在條幅左右兩側，以此切削刀數量為單方向的2倍，即最少切削刀數量為32。

主切削刀與中心切削刀的重疊量可根據式(8)算出，c=58.5mm；

至此可算出阿基米德螺旋線布置曲線的極軸初始值ρ0=464；

圖5 刀具單螺旋線布置曲線

該微型土壓平衡盾構機主切削刀采用阿基米德單螺旋線布置，即單回轉方向上不同切削半徑只需要配置一把主切削刀，對稱布置于3跟條幅兩側。

中心切削刀的主要作用是切削和攪拌中心部分的土體，改善中心土體的流動性，在布置曲線初始值關于極軸對稱的位置布置4組8把中心刀即可達到這一目的。切削刀具體布置位置，如圖6所示。

圖6 切削刀單螺旋線布置圖

由此可知，直徑為3m的微型土壓平衡盾構機，在砂卵石地層中，刀盤布置切削刀數量為38把，大于滿足盾構機回轉所需的最少主切削刀數量32把。

3.2 先行刀的布置

3.2.1 先行刀的布置曲線

先行刀與主切削刀協同工作，在主切削刀前先行切削土體，要求先行刀與主切削刀按照同樣的阿基米德螺旋線布置以達到相同的布置軌跡。因此，主切削刀對稱的布置在與阿基米德螺旋線相交的條幅兩側，而先行刀布置在與螺旋線相交的條幅中間，如圖7所示。

圖7 先行刀布置圖

3.2.2 先行刀的超前量

在盾構機的掘進過程中先行刀除具有切削土體的作用外，還具有提高切削土體流動性的作用，因此合理選擇先行刀的超前量能夠減緩對主切削刀的磨損，增加主切削刀的壽命，對延長掘進起到至關重要的作用[15]。

先行刀的超前量應適中，超前量過大時雖然對地層的切削性較好，但不利于開挖面的穩定；反之，較小的超前量雖然切削性差，但是對開挖面的擾動小，有利于開挖面的穩定。NFM公司的先行刀超前主切削刀10mm～15mm，IHI的貝型先行刀超前主切削刀50mm[16]，通過對現場使用情況的調查，發現NFM公司的先行刀布置并不合理，超前量較小，導致先行刀磨損較為嚴重時，無法起到先行切削土體的作用，相當于沒有改善土體流動性能力的主切削刀直接切削土體，這對刀盤的損害很大。

結合微型土壓平衡盾構機開挖面直徑較小這一特點，選取先行刀超前主切削刀的超前量為30mm。

3.2.3 盤圈貝型刀的布置

盤圈貝型刀安裝在輻條式刀盤前端面，用于松動、切削砂卵石，為更好的配合主切削刀，將其對稱的布置于刀盤前端面的輻條兩側，具體位置如圖9所示。

圖8 盤圈貝型刀布置圖

綜上所述，直徑為3m的微型土壓平衡盾構機，在砂卵石地層中，刀盤布置先行刀的數量為15把，盤圈貝型刀的數量為6把，先行刀超前主切削刀的超前量為30mm。

3.3 周邊刮刀的布置

周邊刮刀安裝在刀盤外圈，在其迎土面釬焊有硬質合金球齒，主要用于承受沙礫、卵石的磨粒磨損與沖擊。周邊刮刀的主要作用是確保刀盤開挖直徑，防止刀盤外緣的間接磨損，而微型盾構機的開挖面較小，因此不宜選擇過多的周邊刮刀，其數量與具體布置位置如圖9所示。

圖9 周邊刮刀布置圖

如圖所示，該微型土壓平衡盾構機共布置周邊刮刀6把。

4 刀盤力學分析

按照刀盤的實際尺寸，以mm為單位，建立了微型土壓平衡盾構機刀盤模型，如圖10所示。

通過計算與分析得出了盾構機在砂卵石地層啟動、掘進時刀盤的載荷。其中，微型盾構機額定扭矩700kN.m，許用應力192MPa。

表4 刀盤各工況載荷

4.1 刀盤正常掘進工況分析

刀盤正常掘進工況下的應力云圖如圖11所示，從圖中看出，刀盤正面受力均勻，最大應力35MPa，整個刀盤最大應力集中于刀盤輻條背面板與云腿連接處為115.5MPa。刀盤所用材料的屈服極限345MPa，屈服安全系數1.8，最大應力為115.5MPa，遠遠小于許用應力192MPa，由此可見正常工況下滿足強度要求。

圖11 正常工況下刀盤應力應變圖

圖11(c)為刀盤在正常工況下刀盤綜合位移變形圖，從圖中看出最大位移出現在刀盤邊緣的位置，最大值為1.13mm。通過分析刀盤應力圖和位移圖可知，在刀盤正常工作狀態下，刀盤整體上應力分布均勻，位移最大值在允許范圍內，滿足設計要求。

4.2 刀盤啟動脫困工況分析

刀盤在靜扭脫困工況下應力云圖如圖12(a)、12(b)所示。由圖可知，最大應力出現在云腿與法蘭連接處，大小為109MPa；刀盤結構綜合位移云圖如12(c)所示，面板邊緣有最大位移為1.07mm；綜合來看，刀盤在靜扭脫困工況下刀盤受力狀況均勻，變形較小，滿足設計要求。

圖12 靜扭脫困工況下刀盤應力應變圖

5 結論

1）針對某北京地下某段砂卵石地層地質特征，對微型土壓平衡盾構機刀盤刀具進行了選材，并確定了切削刀、先行刀、盤圈貝形刀與周邊刮刀的組合形式。

2）依據刀具磨損的等壽命原則和阿基米德螺旋線布置法得到了刀具布置的幾何規律，并確定了阿基米德螺旋線的具體表達式和所需數目。

3）根據微型土壓平衡盾構機的主要參數和阿基米德螺旋線的具體表達式，確定了切削刀的布置位置和具體數量為38把。根據主切削刀的位置和先行刀的布置理論得出先行刀的布置位置和具體數量為15把，盤圈貝形刀6把，先行刀超前切削刀的超前量為30mm。并布置周邊刮刀6把。

4）對刀盤進行有限元建模，對該刀盤的正常掘進和啟動脫困工況進行有限元計算，分析不同工況下刀盤的強度，結果表明刀盤受力與變形狀況良好，滿足設計要求。

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